NCSU の研究者が新しい高出力エレクトロニクスを開発 – 多大な影響をもたらす

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工学研究者は、以前の技術よりもエネルギー効率の高い新しい高出力電子デバイスを開発しました。これらのデバイスは、 窒化ガリウムを「ドーピング」する独自の技術 (GaN) を制御された方法で。

「多くの技術は電力変換を必要とします。つまり、電力をある形式から別の形式に切り替えることです」と、この研究に関する論文の筆頭著者で元博士号を持つ Dolar Khachariya 氏は述べています。ノースカロライナ州立大学の学生。 「たとえば、このテクノロジーでは、AC を DC に変換したり、電気モーターのように電気を仕事に変換したりする必要があるかもしれません。また、どのような電力変換システムにおいても、ほとんどの電力損失は電力変換システムを構成する電気回路の能動部品である電源スイッチで発生します。

「パワースイッチのような、より効率的なパワーエレクトロニクスを開発することで、変換プロセス中に失われる電力量が削減されます」と、現在は Adroit Materials Inc. の研究員であるハチャリヤ氏は言います。「これは、より持続可能な電力をサポートする技術を開発する上で特に重要です」スマートグリッドなどのインフラストラクチャ。」

電力変換は交通機関などのハイテク分野に影響を与える

「ここでの私たちの取り組みは、パワーエレクトロニクスにおけるエネルギー損失を削減できるだけでなく、従来のシリコンや炭化ケイ素エレクトロニクスに比べて電力変換システムをよりコンパクトにできることを意味します」と論文の共著者である Ramón Collazo 氏は述べています。ノースカロライナ州立大学の材料科学および工学の准教授。 「これにより、自動車、船舶、飛行機、スマートグリッド全体に分散されたテクノロジーなど、重量やサイズの制限により現在適合しないテクノロジーにこれらのシステムを組み込むことが可能になります。」

で 2021年に出版された論文研究者らは、イオン注入と活性化を使用してGaN材料の標的領域にドープする技術の概要を説明した。言い換えれば、彼らはGaN材料上の特定の領域に不純物を操作して、それらの領域でのみGaNの電気的特性を選択的に変更しました。

仕組みは次のとおりです

研究者らは新しい論文で、この技術を実際のデバイスの作成にどのように使用できるかを実証しました。具体的には、研究者らは選択的にドープされたGaN材料を使用して、接合障壁ショットキー(JBS)ダイオードを作成しました。

「JBS ダイオードなどの電力整流器は、あらゆる電力システムのスイッチとして使用されます」と Collazo 氏は言います。 「しかし、アンドープGaNの電気的特性はJBSダイオードのアーキテクチャと互換性がないため、歴史的にはそれらは半導体シリコンまたは炭化ケイ素で作られてきました。それはうまくいきません。

「私たちは、GaN を選択的にドープして機能的な JBS ダイオードを作成できること、そしてこれらのダイオードが機能するだけでなく、従来の半導体を使用する JBS ダイオードよりも電力効率の高い変換を可能にすることを実証しました。たとえば、技術的に言えば、ネイティブ GaN 基板上に製造された当社の GaN JBS ダイオードは、記録的な高い降伏電圧 (915 V) と記録的な低いオン抵抗を備えています。

「当社は現在、選択的にドープされたGaNの生産を拡大するために業界のパートナーと協力しており、この材料を利用したパワーデバイスのより広範な製造と採用に関連する問題に取り組むための追加のパートナーシップを探しています」とCollazo氏は述べています。

研究の詳細

紙、 "超高圧アニーリングによって活性化される Mg 注入を使用した、理想に近い性能を備えた縦型 GaN 接合バリア ショットキー ダイオード」は、Applied Physics Express 誌に掲載されています。この論文は、ノースカロライナ州立大学の電気およびコンピュータ工学の助教授である Spyridon Pavlidis の共著者です。シャシュワット・ラスカンティワール氏、ノースカロライナ州立大学博士研究員。シェーン・スタイン博士ノースカロライナ州立大学の学生。ヘイデン・ブリッケンリッジ、元博士ノースカロライナ州立大学の学生。ノースカロライナ州立大学の研究員であり、ドイツのウルム大学の名誉教授であるエアハルト・コーン氏。ズラトコ・シタール氏、ノースカロライナ州立大学材料科学・工学部の神戸製鋼特別教授であり、Adroit Materials の創設者。 Adroit Materials の Will Mecouch、三田誠司、Baxter Moody、Pramod Reddy、James Tweedie、Ronny Kirste。ポーランド科学アカデミー高圧物理研究所のカクペル・シェラコウスキー氏、グジェゴシュ・カムラー氏、ミハウ・ボチコウスキー氏。

この研究は、補助金 DE-AR0000873、DE-AR000149 に基づいて、主に ARPA-E によって PNDIODES プログラムの一部として支援されました。この研究は、ECCS-1916800、ECCS-1508854、ECCS-1610992、DMR-1508191、および ECCS-1653383 の助成金に基づいて、米国科学財団から追加の支援を受けました。海軍研究グローバル局の科学技術における海軍国際協力の機会プログラム、助成金 N62909-17-1-2004 に基づく。およびポーランドの国立研究開発センター (NCBR) は、TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00 の助成金を受けています。

©ノースカロライナ州立大学

元の記事の出典: WRAL TechWire